• Relator: Marcelo González H. (PhD)

Nanotecnología: Fundamentos y

Potenciales Aplicaciones en el

Hormigón

AGENDA

• Introducción y fundamentos

• Principales nanomateriales

• Principales efectos de los nanomateriales en el hormigón (PCC)

• Potenciales aplicaciones en el hormigón

• Limitaciones de la tecnología (Visión MG)

• Conclusiones

• El Físico Richard Feynman es considerado el padre de la nanotecnología. En elaño 1959, en el contexto de la reunión anual de la “American Physical Society,Feynman presenta “There's Plenty of Room at the Bottom”.

• En el año 1974, Norio Taniguchi utiliza por primera vez el término nanotecnología(Ashby et al., 2009) para precisar las tolerancias que se requería en la terminaciónde maquinarias y en el acabado de los materiales.

• En el año 1986, Drexler publica el libro “Engines of Creation” con el cual sepopulariza el concepto de nanotecnología.

Introducción y fundamentos

Introducción y fundamentos

Toronto

Nueva York

BostonTask Force on Nanotechnology-Based Concrete Materials, AFN15T.

Transportation Research Board of the National Academies – USA.

Volunteer (April 2013 to January 2015).

• ¿Qué es la nanotecnología?

Nanotecnología es la ciencia, ingeniería ytecnología que permite manipular los materialesa dimensiones menores a 100 nn (nanómetros)((Ashby et al., 2009), (National NanotechnologyInniciative, 2016)).

Introducción y fundamentos

Eftekhari, M., & Mohammadi, S. (2016). Molecular dynamics

simulation of the nonlinear behavior of the CNT-reinforced calcium

silicate hydrate (C–S–H) composite. Composites Part A: Applied

Science and Manufacturing, 82, 78-87.

• ¿Por qué nanotecnología?

Los materiales a nanoescala presentan un comportamiento muy diferente cuando secompara con los materiales convencionales:

a) Principio de incertidumbre (Mecánica cuántica)

b) Superficie específica (superficie externa a igual volumen)

c) Una pequeña cantidad de nanomaterial genera cambios significativos

d) Reactividad aumenta (resultado de la alta superficie específica)

Introducción y fundamentos

Introducción y fundamentos

REF: Ashby, M. F., at el. (2009). Nanomaterials, nanotechnologies and design: An introduction for engineers and architects

Introducción y fundamentos

La razón área / volumen A volumen constante

Tamaño de partícula

Su

per

fici

e es

pec

ífic

a

Introducción y fundamentos

La razón área / volumen

r Esfera Radio r (mm) Radio r (nm) Area (nm2) Volumen (nm

3)

1 10 10000 1.3E+09 4.2E+12

2 0.01 10 1.3E+03 4.2E+03

Num. de particulas generadas para el mismo volumen 1.0E+09

Area total del billon de nanoparticulas (nm2) 1.3E+12

Diferencia en la superficie especifica 1.0E+03

r = 10 mm

r = 10 nm

Introducción y fundamentos

La razón área / volumen Los materiales y sistemas resultantes de la

nanomodificación son caracterizados por:

alta resistencia, alta durabilidad, una mayor

velocidad de construcción y reducción de

impacto ambiental.

Principales nanomateriales

REF: State-of-the-art report on use of nano-materials in concrete. Md. Safiuddin, Marcelo Gonzalez, Jingwen Cao

and Susan Tighe, 2013. The International Journal of Pavement Engineering, No. GPAV-2013-0206.

Nanosilica Nanotubos de Carbón Nano fibras Nano TiO2

Ref: Cibele A. Oliveira

Principales nanomateriales

Nanosilica

Ref: GRACE - Chile

Principales efectos de los nanomateriales en el PCC

• Hormigón fresco

Disminución en el

asentamiento de cono del

hormigón.

El efecto se compensa a

través del uso de aditivos

HRWR.

(*): Comportamiento similar en morteros REF: Gonzalez, M. (2014). Nanotechnology Applied in the Design of the

Next Generation of Canadian Concrete Pavement Surfaces.

• Hormigón endurecido

Se observa un aumento de la

compresión a temprana edad.

PCC W/C = 0.39

Principales efectos de los nanomateriales en el PCC

REF: Gonzalez, M. (2014). Nanotechnology Applied in the Design of the

Next Generation of Canadian Concrete Pavement Surfaces.

• Hormigón endurecido

Se observa un aumento de la

compresión a temprana edad.

También se observa un

aumento de la resistencia a la

compresión a los 28 días.

(*): Efecto de nanosilica coloidal

Principales efectos de los nanomateriales en el PCC

REF: Gonzalez, M. (2014). Nanotechnology Applied in the Design of the

Next Generation of Canadian Concrete Pavement Surfaces.

REF: Gonzalez, M. (2014). Nanotechnology Applied in the Design of the

Next Generation of Canadian Concrete Pavement Surfaces.

Principales efectos de los nanomateriales en el PCC

• DurabilidadASTM C944 ASTM C944

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Loss

of

we

igh

t (g

)

% Nanosilica

7 Days - Broom 28 Days - Broom7 Days - Smooth 28 Days - SmoothLinear ( 7 Days - Broom) Linear (28 Days - Broom)Linear (7 Days - Smooth) Linear (28 Days - Smooth)

Broom

Smooth

(W/C = 0.39)

Rotating-cutter drill press

Principales efectos de los nanomateriales en el PCC

• DurabilidadASTM C666 (2008)

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0 50 100 150 200 250 300 350

Rel

ativ

e d

ynam

ic m

od

ulu

s o

f el

asti

city

Number of cycles

0.0% nanosilica

1.0% nanosilica

2.0% nanosilica

Freezing and thawing response (W/C = 0.39)

• Durabilidad

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.0 1.0 2.0

Loss

of

mas

s af

ter

32

4 c

ycle

s (%

)

% Nanosilica

Loss of mass (%)

0.0% Nanosilica

2.0% Nanosilica

Principales efectos de los nanomateriales en el PCC

Gonzalez, Marcelo, et al. "Evaluation of freeze/thaw and scaling response of nanoconcrete for Portland

Cement Concrete (PCC) pavements."Construction and Building Materials 120 (2016): 465-472.

• Durabilidad

Principales efectos de los nanomateriales en el PCC

0.0% NS 2.0% NS

(w/c = 0.39)

(w/c = 0.45)Gonzalez, Marcelo, et al. "Evaluation of

freeze/thaw and scaling response of

nanoconcrete for Portland Cement

Concrete (PCC) pavements."Construction

and Building Materials 120 (2016):

465-472.

Potenciales aplicaciones en el hormigón

• Pavimentos de hormigón

Mejor resistencia y respuesta a la

abrasión (temprana).

PCC más durable (principalmente

superficie).

Potenciales aplicaciones en el hormigón

• Pavimentos de hormigón

Mejor resistencia y respuesta a la

abrasión (temprana).

PCC más durable (principalmente

superficie).

Mejora en la respuesta a la fricción.

Fz

Fh

mT = Fh / Fz

Hormigón Mortero

Potenciales aplicaciones en el hormigón

• Shotcrete

Mayor cohesión de la mezcla

Aumento de adherencia (mezcla-roca)

Resistencia temprana (> seguridad)

Reducción de rebote

Mejora en rendimientos de colocación

Potenciales mejoras en la durabilidad REF: Yurdakul, E., & Rieder, K. A. Effect of Pozzolanic-Based Rheology

Control Agent as a Replacement for Silica Fume.

Potenciales aplicaciones en el hormigón

• Otras potenciales aplicaciones

Hormigón auto reparable (Self healing Concrete)

Hormigón auto monitoreado (Self sensing Concrete)

Hormigón auto limpiante

Hormigón anticonatminación

• Alto costo de los nanomateriales (Economía de escala)

• Falta de difusión de resultados de casos prácticos

• No hay consenso respecto a los potenciales efectos en la salud(soluciones coloidales beneficia)

Limitaciones de la tecnología (Visión MG)

• Potenciales aglomeraciones (se elimina con eluso de soluciones coloidales)

Conclusiones

• Los nanomateriales son una alternativa para mejorar el desempeño delhormigón

• Los nanomateries pueden impactar al hormigón en estado fresco,estado endurecido y su durabilidad

• La nanotecnología aplicada al hormigón es una ciencia que aúnpresenta un gran potencial para nuevos desarrollos